MAX相化合物的熱力學性質的第一性原理計算及純化處理

《MAX相化合物的熱力學性質的第一性原理計算及純化處理》是依託哈爾濱師範大學，由朱春城擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：MAX相化合物的熱力學性質的第一性原理計算及純化處理
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：朱春城
• 依託單位：哈爾濱師範大學

項目摘要

MAX相是2000年才提出來的概念，該類材料是具有金屬和陶瓷雙重特性的新型結構功能材料。本項目就本團隊成功製備的大尺寸鈦鋁碳陶瓷作為耐磨材料電刷及匯流環等在工業上的實際套用進行研究，同時就最新製備的系列MAX相化合物(Cr2AlC、 Ti2SC、Nb4AlC3、Nb2AlC等)，通過建立最最佳化的理論分析模型和一般方法，基於第一性原理計算該類化合物的電子結構、物相穩定性以及熱力學性質(如焓、自由能、熱膨脹係數、德拜溫度等熱力學數據隨溫度的變化情況)，填補新合成系列材料理論數據上的空白。並採用實驗分析、熱分析等方法來驗證理論分析模型的正確性，從而為該類材料的深入研究奠定理論基礎。同時針對MAX相難以合成高純材料的情況，擬採用熱處理、酸洗、鹼洗等方法對材料進行除雜純化處理，研究材料純化工藝及機制。從而，為三元陶瓷MAX相信息化資料庫的完善及材料的純化與套用起到支撐作用。

結題摘要

MAX相是種兼具金屬和陶瓷雙重特性的新型結構功能一體化材料。本研究針對新製備的系列MAX相化合物，通過建立最最佳化理論模型，基於第一性原理計算其電子結構、物相穩定性及熱力學性質，填補新合成材料理論數據上的空白。並採用實驗分析、熱分析等方法來驗證理論分析模型的正確性，從而為該類材料的深入研究奠定理論基礎。針對MAX相難以合成高純材料的情況，採用熱處理、酸洗等方法進行除雜純化，並研究其純化工藝及機制。本研究製備的高純鈦鋁碳陶瓷實現了工業化生產，實現了成果轉化套用，項目獲得省科技一等獎（自然類）。本研究主要得到如下研究結果：採用低成本、低能耗的燃燒合成技術製備出了系列高純度MAX陶瓷（Ti3AlC2、Ti2AlC、Ti2SnC、Ti2SC、Cr2AlC）粉體，並首次合成出了Nb2AlC、Nb4AlC3和Ta4AlC3等化合物。合成的Ti2AlC粉體純度最高為99.5%，Ti2SC及Ti2SnC純度達到90%以上。製備的 Ti2AlC塊體表現出最高的彎曲強度（620MPa），首次發現 Ti2AlC 在壓縮狀態（800-900℃）較彎曲狀態（900-950℃）具有較低的韌脆轉變溫度（BDTT）。當Ti3AlC2陶瓷粉體的熱處理溫度為1050℃時產物純度最高。Ti3AlC2陶瓷在40％Na OH溶液中腐蝕率最小。研究了某些MAX相化合物的氧化機理及氧化機制，從而為三元陶瓷MAX相信息化資料庫的完善及材料的純化與套用起到支撐作用。基於第一性原理建立了“鍵剛度”模型，即三元層狀陶瓷中最弱化學鍵剛度與最強化學鍵剛度的比值 (kmin/kmax)大於 1/2 時，材料表現出典型脆性陶瓷的低損傷容限和斷裂行為；研究首次發現並提出了一種新型 MAX 相晶體結構（Ti4GaC3 的α型和γ型結構）。第一性原理模擬計算表明，Cr2AlC和Ti2SnC在紫外區反射率變化相對較大，表明兩種物質具備良好的熱穩定性。課題組製備的高純度Ti3AlC2、Ti2AlC陶瓷實現了批量生產，發明專利轉讓給了“哈爾濱新幹線軌道交通科技有限公司”，成果轉化給企業用於製備新型三元陶瓷複合材料高鐵剎車片，研究成果助力企業新型高鐵剎車片的研發及生產，企業已經建成年產2萬片高鐵剎車片的生產線。